CC BY
25
УДК 666.1
DOI: 10.24412/1728-323X-2021-1-71-75
ПРИМЕНЕНИЕ ГРАНУЛИРОВАННОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА «ДИАТОМИК» В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЕГО УКЛАДКИ В ДОРОЖНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
В. П. Мельников, доктор геолого-минералогических наук, академик РАН, Тюменский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук, Автономная некоммерческая организация «Губернская академия», [email protected], Тюмень, Россия, Д. Р. Галлямов, стажер-исследователь, Тюменский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук, Автономная некоммерческая организация «Губернская академия», [email protected], Тюмень, Россия
Результаты многолетних исследований арктических районов, в том числе со сложными климатическими условиями Западной Сибири, показали, что изменение транспортно-эксплуатационных характеристик автомобильных дорог во многом определяется динамикой природно-климатических условий и изменений, особенно в районах с избыточным увлажнением и в условиях распространения многолетнемерз-лых пород (ММП) [1]. Строительство инженерных сооружений в районах распространения многолетнемерзлых пород требует специальных мероприятий по снижению глубины промерзания грунтов в основаниях. Морозное пучение грунтов вызывает серьезные деформации и разрушения дорожных конструкций. Исходя из этого изучение процессов промерзания грунтов и поиск методов борьбы с морозным пучением весьма актуален. В статье освещаются меры снижения промерзания и морозного пучения грунтов. Одной из мер по снижению морозного пучения является теплозащита грунтов, т. е. устройство теплоизоляционных (морозозащитных) слоев в конструкциях оснований инженерных сооружений [1]. Произведена промышленная апробация исследуемой модели с применением гранулированного теплоизоляционного материала «ДиатомИК» (далее — ГТМ «ДиатомИК») при строительстве опытно-экспериментального участка автомобильной дороги на ул. Железнодорожная в городе Новый Уренгой Ямало-Ненецкого автономного округа. Исследована динамика температурного режима на различных глубинах.
The results of long-term studies of the Arctic regions, including those with difficult climatic conditions in Western Siberia, have shown that the changes in transport and operational characteristics of highways are largely determined by the dynamics of natural and climatic conditions and changes, especially in the areas with excessive moisture and in the conditions of permafrost (MMP) distribution [1]. The construction of engineering structures in the areas of permafrost distribution requires special measures to reduce the depth of soil freezing in the bases. Frost heaving of soils causes serious deformation and destruction of road structures. Due to this, the study of soil freezing processes and the search for the methods to combat frost heaving are of very great relevance. The article highlights the measures to reduce freezing and frost heaving of soils. One of the measures to reduce frost heaving is thermal protection of soils, i.e. the arrangement of thermal insulation (frost protection) layers in the structures of the basements of engineering constructions [1]. The industrial testing of the model was produced with the application of the granulated insulating material "Diatomic" (hereinafter — GTM "Diatomic") in the construction of experimental road section on Railway street in the town of Novy Urengoy, the Yamalo-Nenets Autonomous District. The dynamics of the temperature regime at different depths is studied.
Ключевые слова: гранулированный строительный материал, морозное пучение, дорожные конструкции, грунт, сезонное промерзание.
Keywords: granulated building material, frost heaving, road structures, soil, seasonal freezing.
Введение. Глубокое сезонное промерзание, широкое распространение пучинистых грунтов и повышенная увлажненность территории являются основными условиями появления большого количества деформаций и разрушений дорожных конструкций после каждого цикла промерзания/ оттаивания грунта земляного полотна. Данный факт значительно снижает качество и долговечность работы автомобильных дорог. Подобное сочетание природных условий предполагает организацию противопучинистых мероприятий для проектируемых и существующих дорожных конструкций. Разрушения дорожных конструкций являются характерными проблемами дорожного строительства для арктических районов. Повреждения транспортных сооружений являются достаточно сложными для проведения ремонтных работ и предполагают увеличение затрат на содержание дорог. В связи с этим предотвращение разрушений дорожных конструкций в результате морозного пучения грунтов является актуальным для арктических районов [2].
Существенное улучшение состояния транс -портной инфраструктуры предполагает совершенствование норм проектирования автомобильных дорог и, конечно, внедрение новых материалов для устройства дополнительных теплоизоляционных слоев в основании дорожной одежды, которые позволили бы повысить долго -вечность и безаварийность дорожных конструкций, влияющих на устойчивость инфраструктуры. Одним из таких материалов может стать гранулированный теплоизоляционный материал (далее — ГТМ «ДиатомИК»), получаемый на основе кремнистого сырья [3—5].
Модели и методы. Объектом исследования является инновационный гранулированный теплоизоляционный строительный материал на основе диатомита (рис. 1). Методология предполагаемых
Рис. 1. ГТМ «ДиатомИК» разных фракций
исследований применения ГТМ «ДиатомИК» в дорожных конструкциях базируется на современных подходах к мониторингу опытно-экспериментальных дорожных конструкций: метаматематическое моделирование, лабораторные и полевые исследования, визуальный мониторинг [4].
Методика проведения исследований базируется на современных методах изучения структуры и свойств материалов, а также классических методах инженерных расчетов при проектировании производств [6]. Разработка нового гранулированного строительного материала позволит строить прочные и долговечные автомобильные и железные дороги в регионах со сложными климатическими условиями [7]. Мониторинг дорожной конструкции позволяет проводить исследование возможности регулирования водно-теплового режима, изучать распределение температуры по оси дорожной конструкции, изучать динамику
глубины промерзания грунта по оси дорожной конструкции [9, 10]. По результатам проведенных исследований был определен опытно-экспериментальный участок автомобильной дороги в г. Новый Уренгой ЯНАО для проведения натурных испытаний теплоизоляционного слоя из ГТМ «ДиатомИК». Участок был разделен на две секции: с теплоизоляционным слоем из песка мелкого и с теплоизоляционным слоем из ГТМ «Диато-мИК». Район проведения работ характеризуется длительными и сильными морозами в зимний период года. Конструкция дорожной одежды, принятая для опытно-экспериментального участка, имеет следующее строение: покрытие из асфальтобетонной смеси, толщина 10 см; основание из щебня, толщина 20 см; дополнительные теплоизоляционные слои толщиной 20 см из песка для первой секции и для второй секции — из ГТМ «ДиатомИК» (рис. 2).
Комплект датчиков, регистраторов, шкафов и установочных изделий предназначен для создания автономной многоканальной измерительной системы сбора показаний. Измерительная мониторинговая система, выполняемая с использованием комплекта оборудования (датчиков, регистраторов и др.), является частью системы мониторинга дорожной конструкции (рис. 3). Система состоит из двух секций установки шлейфов датчиков в скважинах под конструкцией дорожной одежды: с теплоизоляционными слоями из песка мелкого и с теплоизоляционным слоем из ГТМ «ДиатомИК», сигнальный кабелей шлейфов датчиков, выведенных для подключения в шкаф коммутации с блоком сбора и передачи данных, состоящего из скважины, с располагающимся в
Не менее 0,75 мм
и у Укрепление обочин щебнем
20^ 20^ 20^
20^
30—50^
IIII ш|] I
Присыпная обочина из песка
Оградительный валик из песка
ЩщЩЩШт
/// * /7/ ''*///
"77/
Асфальтобетон плотный мелкозернистый —0,05
Асфальтобетон пористый мелкозернистый -0,07
Щебеночная смесь для оснований -0,30
Геотекстиль
ГТМ «ДиатамИК» (коэф. упл. = 1,4) -0,25
Геотекстиль
Грунт существующего земляного полотна
Рис. 2. Конструкция дорожной одежды
Общая схема мониторинговой системы
Рис. 3. Схема установки устройства измерительной мониторинговой системы
Таблица 1 Глубина промерзания по оси дорожной конструкции
ней регистратором. Первый и последующие датчики температуры расположены непосредственно сразу под 50 см слоем конструкции дорожной одежды через 12,5 см.
Для автоматического считывания показаний датчиков измерительной системы используется регистратор. Регистратор установлен в скважину на глубине 1,5 м для обеспечения работы устройства. Имеется двухканальный мультиплексор шины датчиков. Датчики температуры выполнены в виде зондов для установки в вертикальные скважины.
Результаты и обсуждение. Снятие показаний на опытно-экспериментальных участках проводиться один раз в месяц с помощью программного обеспечения, установленного на ноутбук. При этом ежемесячно проверяется работоспособность измерительного оборудования. В результате снятия показаний с датчиков термокос были обработаны и проанализированы данные показания распределения температуры по глубине в двух разных секциях — с теплоизоляционным слоем из песка и теплоизоляционным слоем из ГТМ «ДиатомИК». Полученные результаты представлены в таблице 1.
Заключение
Как видно из данных таблицы 1, при одинаковых условиях за период 12 месяцев глубина промерзания дорожной конструкции в секции с песком мелким отличается от глубины промерзания в секции с ГТМ «ДиатомИК». Максимальная глубина промерзания наблюдается в секции с песком мелким — 225 см, когда с ГТМ «ДиатомИК» — 147,5 см. Грунт в секции с песком мелким промерз на 77,5 см ниже, чем с ГТМ «ДиатомИК». При этом из таблицы видно, что в секции с песком мелким промерзание происходит резкое — примерно за первые четыре месяца года, когда с ГТМ «ДиатомИК» — плавное, постепенное на протяжении всего холодного периода г ода. Был проведен анализ динамики температуры на различных глубинах (табл. 2).
Самые минимальные (отрицательные) и самые максимальные (положительные) температуры наблюдаются на глубине 50 см. Анализ динамики температуры показал, что минимальные (отрицательные) температуры на глубине 50 см наблюдаются в феврале месяце и составляют в секции с песком мелким — 10,1 °С, а с ГТМ «ДиатомИК» — 6,0 °С. При этом максимальные (положительные) температуры наблюдаются на глубине 50 см в августе месяце и составляют в секции с песком мелким 19,1 °С, а с ГТМ «ДиатомИК» — 18,1 °С (рис. 4). Все вышеуказанное характеризует теплоизоляционные свойства данного слоя из ГТМ «ДиатомИК».
Таблица 2
Динамика температуры на различных глубинах
Секция с Температура на различных глубинах, °С
50 см 62,5 см 75,0 см 87,5 см 100,0 см 137,5 см 175,0 см 187,5 см 212,5 см 235,0 см 281,5 см
песок мелкий ГТМ «ДиатомИК» от +19,1 до -10,1 от +18,1 до -6,0 от +17,9 до -9,1 от +17,3 до -5,1 от +16,8 до -8,0 от +16,4 до -4,4 от +16,0 до -7,0 от +15,4 до -3,4 от +15,4 до -5,9 от +14,5 до -2,6 от +13,6 до -3,5 от +12,8 до -0,3 от +11,8 до -1,9 от +11,6 до +0,3 от +11,8 до -1,2 от +11,3 до +0,4 от +11,4 до -0,1 от +10,6 до +1,1 от +11,1 до +0,1 от +9,7 до +1,6 от +9,8 до +1,1 от +8,4 до +2,4
Период времени Секции дорожной конструкции
с песком мелким, см с ГТМ «ДиатомИК», см
24.01.2020 125,0 75,0
21.02.2020 187,5 125,0
24.03.2020 212,5 147,5
19.04.2020 225,0 147,5
25.05.2020 225,0 147,5
18.06.2020 225,0 147,5
23.07.2020 0 0
20.08.2020 0 0
28.09.2020 0 0
27.10.2020 0 0
24.11.2020 0 0
10.12.2020 87,5 18,5
Рис. 4. Динамика температуры на глубине 50 см
По проведенным экспериментальным исследованиям для практической реализации предложена оптимальная модель дорожной конструкции с применением ГТМ «ДиатомИК» в основании дорожной одежды, что способствовало формированию в грунте водно-теплового режима, существенно снижающего развитие деформаций и предотвращения процессов морозного пучения в грунтах земляного полотна, несмотря на промерзание части грунта. Все это в дальнейшем приве-
дет к повышению устойчивости инфраструктуры. Предложенная конструкция применима для ремонта, реконструкции, а также нового строительства автомобильных дорог и других объектов инфраструктуры.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 20-55-71004 Арктикат.
Библиографический список
1. Ефименко В. Н. Пути обеспечения эксплуатационной надежности автомобильных дорог в природных условиях Сибири / Транспортное строительство // Транспорт Российской Федерации. — 2007. — № 1. — С. 18—19.
2. ОДН 218.046—01. Проектирование нежестких дорожных одежд. Государственная служба дорожного хозяйства Министерства транспорта РФ. — М.: Информавтодор, 2001. — 145 с.
3. Иванов К. С. Новый изоляционный материал для термостабилизации грунтов / Криосфера Земли. — 2011. — Т. XV. — № 4. — С. 120—122.
4. Способ получения пористого строительного материала: пат. 2569138 РФ: МПК C04B38/00 / К. С. Иванов, В. П. Мельников; опубл. 26.10.2015. — 4 с.
5. Ivanov K. S. Diatomites in granular foam-glass technology / Nos. 5—6, September, 157—161, 2014.
6. Невзоров А. Л. Методы оценки пучинистости грунтов с использованием современных приборов // Инженерные изыскания. — 2013. — № 5. — С. 52—56.
7. Мельникова А. А., Коротков Е. А. Новые материалы для строительства инженерных объектов... — ТюмГАСУ, 2015, С. 249—253.
8. Иванов К. С. Диатомиты Ямала в технологии строительных материалов для арктических условий / ПГС. — М., 2016. — № 1. — С. 18—23.
9. Смирнов П. В. Западно-Сибирская провинция опал-кристобалитовых пород. — Тюмень, 2013. — С. 80—82.
10. Смирнов П. В. Литология пород туртасской свиты и возможности их использования в качестве сырья для производства пеностеклокерамики на примере Успенской площади // Известия Томского политехнического университета. — 2015. — № 7. — С. 112—120.
THE USE OF GRANULAR HEAT-INSULATING MATERIAL "DIATOMIK" IN THE EXPERIMENTAL TECHNOLOGY OF ITS APPLICATION IN ROAD CONSTRUCTION
V. P. Melnikov, Ph. D. in Geology and Mineralogy, Dr. Habil, Academician of the RAS, Tyumen Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Autonomous Non-profit Organization "Provincial Academy", [email protected], Tyumen, Russia,
D. R. Galliamov, research intern, Tyumen Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Autonomous Non-profit Organization "Provincial Academy", [email protected], Tyumen, Russia
References
1. Efimenko V. N. Puti obespecheniya ekspluatacionnoj nadyozhnosti avtomobilnyh dorog v prirodnyh usloviyah Sibiri [Ways of ensuring operational reliability of highways in natural conditions of Siberia]. Transportnoe stroitelstvo. Transport Rossijskoj Federacii. 2007. No. 1. P. 18—19 [in Russian].
2. ODN 218.046—01. Proektirovanie nezhestkih dorozhnyh odezhd. Gosudarstvennaya sluzhba dorozhnogo hozyajstva Minis-terstva transporta RF [Design of non-rigid road clothes. State Road Management Service of the Ministry of Transport of the Russian Federation]. Moscow, Informavtodor. 2001. 145 p. [in Russian].
3. Ivanov K. S. Novyj izolyacionnyj material dlya termostabilizacii gruntov [New insulating material for thermal stabilization of soils]. Kriosfera Zemli. 2011. Vol. XV. No. 4. P. 120—122 [in Russian].
4. Sposob polucheniya poristogo stroitelnogo materiala: pat. 2569138 RF: MPK C04B38/00 [The method of obtaining porous building material: Pat. 2569138 of the Russian Federation: MPK C04B38/00]. K. S. Ivanov, V. P. Melnikov; opubl. 26.10.2015. 4 p. [in Russian].
5. Ivanov K. S. Diatomites in granular foam-glass technology. Nos 5—6, September, 157—161, 2014.
6. Nevzorov A. L. Metody ocenki puchinistosti gruntov s ispolzovaniem sovremennyh priborov [Methods for estimating soil heaviness using modern instruments]. Inzhenernye izyskaniya. 2013. No. 5. P. 52—56 [in Russian].
7. Melnikova A. A., Korotkov E. A. Novye materialy dlya stroitelstva inzhenernyh obektov... [New materials for the construction of engineering objects]. TyumGASU. 2015. P. 249—253 [in Russian].
8. Ivanov K. S. Diatomity Yamala v tehnologii stroitelnyh materialov dlya arkticheskih uslovij [Diatomites of Yamal in the technology of building materials for Arctic conditions]. PGS. Moscow. 2016. No. 1. P. 18—23 [in Russian].
9. Smirnov P. V. Zapadno-Sibirskaya provinciya opal-kristobalitovyh porod [West Siberian province of opal-cristobalite rocksmineral and raw material base for multi purposes]. Tyumen, 2013. P. 80—82 [in Russian].
10. Smirnov P. V. Litologiya porod turtasskoj svity i vozmozhnosti ih ispolzovaniya v kachestve syrya dlya proizvodstva penos-teklokeramiki na primere Uspenskoj ploshadi Lithology of rocks of the Turtas formation and the possibility of their use as raw materials for the production of foam glass ceramics in the case study of Uspenskaya Square]. Izvestiya Tomskogopoliteh-nicheskogo universiteta. 2015. No. 7. P. 112—120 [in Russian].
